鮮 鵬， 符 強(qiáng)， 鄭森木， 唐 帥， 黃鵬飛

(四川航天長(zhǎng)征裝備制造有限公司， 四川 成都 610100)

0 前 言

隨著我國(guó)航天任務(wù)需求的不斷發(fā)展，航天飛行器的飛行速度、推重比、有效載荷等在不斷提升，對(duì)結(jié)構(gòu)輕量化和可靠性提出了越來(lái)越高的要求，廣泛采用輕質(zhì)、高強(qiáng)、新型薄壁鋁合金材料，低應(yīng)力、小變形、少甚至近無(wú)缺陷成為制造的核心要素。 2195 鋁鋰合金作為第三代航天用鋁合金材料，由于材料成分中增加了Li等合金化元素，具有密度低、比強(qiáng)度高、塑韌性好、低溫性能和耐腐蝕性高等優(yōu)點(diǎn)，相較于目前廣泛采用的2A14 及2219 鋁合金材料，相同結(jié)構(gòu)下減重約15%，強(qiáng)度提高約30%，同時(shí)價(jià)格比先進(jìn)的復(fù)合材料便宜得多，推廣應(yīng)用2195 鋁鋰合金材料已成為未來(lái)航天產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)[1，2]。

化學(xué)銑切(簡(jiǎn)稱化銑)作為航空航天生產(chǎn)中所獨(dú)有的工藝，能夠在零件加工減薄時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生額外的加工應(yīng)力，已成為飛機(jī)蒙皮生產(chǎn)、火箭貯箱肋條結(jié)構(gòu)加工中不可替代的加工方法[3]。 目前，國(guó)內(nèi)對(duì)2195 鋁鋰合金的化學(xué)銑切工藝研究還處于起步階段，對(duì)2195 鋁鋰合金的化銑研究主要集中在通過(guò)優(yōu)化槽液成分及化銑溫度，使其達(dá)到適宜零件加工的化銑速率和側(cè)切率，在實(shí)際應(yīng)用中，除了化槽液成分及化銑溫度，材料的熱處理狀態(tài)對(duì)化銑性能同樣有著不可忽視的影響[4，5]。 為此本工作采用正交試驗(yàn)的方法研究了不同熱處理狀態(tài)下的2195 鋁鋰合金化學(xué)銑切性能，綜合分析了化銑槽液成分、化銑溫度對(duì)2195 鋁鋰合金的化銑速率、側(cè)切率以及表面形貌的影響，并分析了不同熱處理狀態(tài)下2195 鋁鋰合金化學(xué)銑切性能出現(xiàn)差異的原因。

1 試 驗(yàn)

1.1 試樣制備

試驗(yàn)材料選擇目前工業(yè)上常用的熱處理狀態(tài)為O態(tài)(完全退火)與T8 態(tài)(固溶處理+預(yù)變形+人工時(shí)效)的2195 鋁鋰合金軋板，材料化學(xué)成分如表1 所示，試樣尺寸為200 mm×200 mm×6 mm。

表1 2195 鋁鋰合金的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of 2195 aluminum lithium alloy

首先將試樣用丙酮去除表面油污，并用流動(dòng)自來(lái)水沖洗樣品表面，之后將試樣放入200 g/L 的NaOH 溶液中堿腐蝕20 s，去除表面包鋁層。 隨后將試樣放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的HNO3溶液中腐蝕1 min，進(jìn)行光化處理。 最后將試樣用流動(dòng)自來(lái)水清洗干凈并進(jìn)行烘干。 烘干后將試樣用YXR-H01 保護(hù)涂料進(jìn)行整體噴涂、硫化，最后用手術(shù)刀片在硫化后的樣品表面劃分4個(gè)尺寸為100 mm×100 mm 的小方格。

1.2 試驗(yàn)方法

將刻型好的試樣用鐵絲固定后垂直浸入化銑槽液中進(jìn)行加工，由于對(duì)工件化銑性能影響最明顯的溶液成分通常為NaOH 與Al3+濃度，因此化銑槽液選擇目前工業(yè)上最常用的是NaOH 與Al3+混合溶液。 同時(shí)根據(jù)工件在實(shí)際加工過(guò)程中，槽液成分與化銑加工溫度通常會(huì)經(jīng)歷低、中、高3 個(gè)階段，因此，化銑加工參數(shù)按照3 因素3 水平進(jìn)行選擇，按照L9(34)正交表進(jìn)行試驗(yàn)，每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)設(shè)置3 個(gè)平行試樣。 采用超聲波測(cè)厚儀(CL5)測(cè)量化銑前后試樣的厚度，使用游標(biāo)卡尺測(cè)量化銑前后肋條的寬度。

化銑速率計(jì)算公式為:

式中:v為化銑速率，mm/min；h0、h1分別為試樣原始及化銑后的厚度值，mm；t為化銑時(shí)間，min。

側(cè)切率計(jì)算公式為:

式中:K為側(cè)切率；w0、w1分別為試樣肋條原始及化銑后的寬度，mm；h0、h1分別為試樣原始及化銑后的厚度值，mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同熱處理狀態(tài)對(duì)化銑速率的影響

表2 是化銑速率正交試驗(yàn)結(jié)果。 通過(guò)表2 中2 種不同熱處理狀態(tài)試樣在不同條件的化銑速率對(duì)比可以看出，在相同工藝參數(shù)條件下T8 態(tài)試樣的化銑速率均高于O 態(tài)試樣。 根據(jù)極差R可以看出，影響2 種不同熱處理狀態(tài)試樣化銑速率的因素主次順序均為:NaOH濃度＞Al3+濃度＞溫度，并且T8 態(tài)試樣受3 種因素變化的影響效果均高于O 態(tài)試樣。

表2 化銑速率正交試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Orthogonal test results of chemical milling rate

在相同條件下化銑速率出現(xiàn)差異的原因主要是由于2195 鋁鋰合金在堿性溶液中除了發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，還會(huì)發(fā)生電化學(xué)腐蝕，而在O 態(tài)(完全退火)下，可溶的富Cu 相不斷溶解進(jìn)入合金基體，并在完成退火處理后的緩冷過(guò)程中顯著發(fā)生脫溶析出，生成T1(Al2CuLi)、θ＇(Al2Cu)及δ＇(Al3Li)強(qiáng)化相，而在T8 態(tài)(固溶處理+預(yù)變形+人工時(shí)效)下，一定的預(yù)變形量可以顯著促進(jìn)T1(Al2CuLi) 相的析出，抑制θ＇(Al2Cu)和δ＇的(Al3Li)相的析出，導(dǎo)致T8 態(tài)主要為T1(Al2CuLi) 相[6]。 由于T1相的電極電位相比Al 基體的電極電位更低，在與鋁基體形成的原電池中會(huì)作為陽(yáng)極優(yōu)先溶解，加速基體的腐蝕，而T8 態(tài)試樣相比O 態(tài)試樣含有更多的T1相，因此在相同條件下T8 態(tài)的化銑速率較O 態(tài)更快[7，8]。

圖1 是3 因素的不同水平對(duì)化銑速率的影響。 根據(jù)圖1 化銑速率隨3 種因素的變化可以看出，2 種不同熱處理狀態(tài)下的2195 鋁鋰合金化銑速率均隨著NaOH濃度、化銑溫度的增加而升高，隨著Al3+濃度的增加而降低。 鋁跟堿溶液的反應(yīng)，實(shí)際上是鋁與水的反應(yīng)，生成的氫氧化鋁很快溶于NaOH 強(qiáng)堿溶液，促使鋁和水繼續(xù)反應(yīng)，因此NaOH 濃度越高、溫度越高化銑速率越快，而Al3+在溶液中實(shí)際以AlO2-形式存在，AlO2-能使Li+沉淀， 減少其在工件表面的集結(jié)，從而減緩化銑速率[9]。

圖1 3 因素對(duì)化銑速率的影響Fig. 1 Influence of horizontal factors on chemical milling speed

2.2 不同熱處理狀態(tài)對(duì)側(cè)切率的影響

表3 是側(cè)切率正交試驗(yàn)結(jié)果。 從表3 可以看出，在相同工藝參數(shù)下T8 態(tài)試樣的側(cè)切率均低于O 態(tài)試樣，并且在不同工藝參數(shù)下O 態(tài)側(cè)切率的范圍為1.01～1.95，T8 態(tài)側(cè)切率的范圍為0.78～1.20，相比O 態(tài)試樣，T8 態(tài)試樣的側(cè)切率波動(dòng)范圍更小。 這主要是由于肋條化銑時(shí)，肋條橫向受到膠層的保護(hù)，與槽液的接觸面積較小，導(dǎo)致橫向的腐蝕相對(duì)垂直方向受電化學(xué)腐蝕的影響更為明顯，而O 態(tài)試樣中的第二相相對(duì)T8 試樣更為復(fù)雜，其微觀電化學(xué)性質(zhì)差異更大，因此導(dǎo)致O 態(tài)試樣側(cè)切率波動(dòng)較大。 根據(jù)極差R可以看出，影響2 種不同熱處理狀態(tài)試樣側(cè)切率的因素主次順序均為:溫度＞Al3+濃度＞NaOH 濃度，并且T8 態(tài)試樣受3 種因素變化的影響效果均低于O 態(tài)試樣。

表3 側(cè)切率正交試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Orthogonal test results of side shear rate

圖2 是3 因素的不同水平時(shí)對(duì)側(cè)切率的影響。

圖2 水平因素對(duì)側(cè)切率的影響Fig. 2 Effect of horizontal factors on lateral shear rate

根據(jù)圖2 側(cè)切率隨3 種因素的變化可以看出，T8態(tài)試樣的側(cè)切率隨著NaOH 濃度的增加出現(xiàn)先緩慢下降后緩慢上升的趨勢(shì)，但整體上表現(xiàn)較為平穩(wěn)。 O 態(tài)試樣的側(cè)切率隨著NaOH 濃度的增加出現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，受NaOH 濃度的變化影響較大；T8 態(tài)試樣的側(cè)切率隨著Al3+濃度的增加出現(xiàn)先緩慢下降后緩慢上升的趨勢(shì)，O 態(tài)試樣的側(cè)切率隨著Al3+濃度的增加出現(xiàn)整體快速上升的趨勢(shì)；2 種不同熱處理狀態(tài)試樣的側(cè)切率隨著溫度的增加均出先下降而后上升的趨勢(shì)。

2.3 不同熱處理狀態(tài)試樣化銑后的表面形貌

從圖3 可以看出，在不同的工藝參數(shù)下，T8 態(tài)試樣化銑后肋條部位的線條平整清晰，腹板均勻平整。 而O 態(tài)試樣化銑后，肋條與腹板連接處均出現(xiàn)不同程度的蝕溝，尤其是當(dāng)化銑速率大于0.04 mm/min(試驗(yàn)7)與小于0.02 mm/min(試驗(yàn)3)時(shí)蝕溝現(xiàn)象更加明顯，并且當(dāng)腐蝕速率過(guò)高時(shí)所化銑加工出的肋條也呈現(xiàn)不同程度的鋸齒狀。 這主要是由于T8 態(tài)經(jīng)過(guò)預(yù)變形后，組織內(nèi)部位錯(cuò)密度上升，位錯(cuò)處出現(xiàn)大量細(xì)小的T1(Al2CuLi)相，且在組織內(nèi)部彌散均勻分布，導(dǎo)致化銑時(shí)電化學(xué)腐蝕較為均勻，化銑后零件的表面質(zhì)量較好，而O 態(tài)試樣組織中含有較多的不均勻分布的難溶第二相粒子，且晶粒較為粗大，導(dǎo)致合金顯微組織尤其是晶界附近的顯微組織不均勻性增加， 在化銑加工時(shí)優(yōu)先在晶界附近發(fā)生電化學(xué)腐蝕，而在肋條橫向與縱向的交接部位不均勻腐蝕現(xiàn)象更為嚴(yán)重，最終導(dǎo)致肋條附近形成蝕溝與出現(xiàn)鋸齒狀[10]。

圖3 化銑后的表面形貌Fig. 3 Surface topography after chemical milling

3 結(jié) 論

(1)2195 鋁鋰合金T8 態(tài)化銑液的最佳工藝參數(shù)為:NaOH 220 g/L ，Al3+70 g/L ， 溫度85 ℃；O 態(tài)化銑液的最佳工藝參數(shù)為: NaOH 180 g/L，Al3+30 g/L ， 溫度85 ℃。 采用該化銑液加工側(cè)切率為1，能夠較好地滿足實(shí)際生產(chǎn)加工需求。

(2)在相同的工藝參數(shù)條件下，2195 鋁鋰合金T8態(tài)(固溶處理+預(yù)變形+人工時(shí)效)的化銑速率高于O態(tài)(完全退火)。

(3)2195 鋁鋰合金O 態(tài)在不同工藝參數(shù)下的側(cè)切率波動(dòng)范圍較大，而T8 態(tài)試樣的側(cè)切率相對(duì)來(lái)說(shuō)更為穩(wěn)定，更適合于化銑加工。

(4)2195 鋁鋰合金T8 態(tài)試樣化銑后的表面質(zhì)量?jī)?yōu)于O 態(tài)試樣的，O 態(tài)試樣化銑速率維持在0.03 mm/min左右時(shí)化銑出的表面質(zhì)量較好。

(5)化銑時(shí)應(yīng)優(yōu)先選用金T8 態(tài)(固溶處理+預(yù)變形+人工時(shí)效)的材料，其次再選用O 態(tài)(完全退火)的材料。